Gli ingegneri meccanici della Henry Samueli School of Engineering and Applied Science della UCLA e altre quattro istituzioni hanno progettato un elettrodo super efficiente e di lunga durata per supercondensatori. Il design del dispositivo è stato ispirato dalla struttura e dalla funzione delle foglie sui rami degli alberi, ed è più di 10 volte più efficiente di altri modelli.

Il design dell'elettrodo fornisce la stessa quantità di accumulo di energia, e fornisce la stessa potenza, come elettrodi simili, nonostante sia molto più piccolo e leggero. Negli esperimenti ha prodotto una capacità del 30 percento migliore - la capacità di un dispositivo di immagazzinare una carica elettrica - per la sua massa rispetto al miglior elettrodo disponibile realizzato con materiali di carbonio simili, e 30 volte migliore capacità per area. Ha inoltre prodotto 10 volte più potenza rispetto ad altri modelli e ha mantenuto il 95 percento della sua capacità iniziale dopo più di 10, 000 cicli di ricarica.

Il loro lavoro è descritto nella rivista Comunicazioni sulla natura .

I supercondensatori sono dispositivi di accumulo di energia ricaricabili che forniscono più energia per le loro dimensioni rispetto alle batterie di dimensioni simili. Si ricaricano anche velocemente, e durano da centinaia a migliaia di cicli di ricarica. Oggi, sono utilizzati nei sistemi di frenata rigenerativa delle auto ibride e per altre applicazioni. I progressi nella tecnologia dei supercondensatori potrebbero rendere il loro uso diffuso come complemento a, o addirittura in sostituzione di, le batterie più familiari che i consumatori acquistano ogni giorno per l'elettronica domestica.

Gli ingegneri sapevano che i supercondensatori potevano essere resi più potenti dei modelli odierni, ma una sfida è stata produrre elettrodi più efficienti e durevoli. Gli elettrodi attraggono ioni, che immagazzinano energia, alla superficie del supercondensatore, dove quell'energia diventa disponibile per l'uso. Gli ioni nei supercondensatori sono immagazzinati in una soluzione elettrolitica. La capacità di un elettrodo di fornire rapidamente energia immagazzinata è determinata in gran parte da quanti ioni può scambiare con quella soluzione:più ioni può scambiare, più velocemente può fornire potenza.

Sapendo che, i ricercatori hanno progettato il loro elettrodo per massimizzare la sua superficie, creando il maggior spazio possibile per attirare gli elettroni. Hanno tratto ispirazione dalla struttura degli alberi, che sono in grado di assorbire ampie quantità di anidride carbonica per la fotosintesi a causa della superficie delle loro foglie.

"Spesso troviamo ispirazione nella natura, e le piante hanno scoperto il modo migliore per assorbire sostanze chimiche come l'anidride carbonica dal loro ambiente, "ha detto Tim Fisher, ricercatore principale dello studio e professore UCLA di ingegneria meccanica e aerospaziale. "In questo caso, abbiamo usato quell'idea ma ad un molto, scala molto più piccola, circa un milionesimo delle dimensioni, infatti."

Per creare il design di rami e foglie, i ricercatori hanno utilizzato due strutture su nanoscala composte da atomi di carbonio. I "rami" sono schiere di cavi, nanotubi di carbonio cilindrici, circa 20-30 nanometri di diametro; e le "foglie" sono strutture simili a petali dai bordi taglienti, circa 100 nanometri di larghezza, che sono fatti di grafene, fogli di carbonio ultrasottili. Le foglie vengono poi disposte sul perimetro dei gambi dei nanotubi. I petali di grafene a forma di foglia conferiscono anche stabilità all'elettrodo.

Gli ingegneri hanno quindi formato le strutture in array a forma di tunnel, attraverso il quale gli ioni che trasportano l'energia immagazzinata fluiscono con molta meno resistenza tra l'elettrolita e la superficie per fornire energia di quanto farebbero se le superfici dell'elettrodo fossero piatte.

L'elettrodo si comporta bene anche in condizioni acide e ad alte temperature, entrambi gli ambienti in cui potrebbero essere utilizzati i supercondensatori.